Θάνος Α. Β1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ 3.1 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ Όλοι οι οργανισμοί προκειμένου να επιβιώσουν και να επιτελέσουν τις λειτουργίες τους χρειάζονται ενέργεια. Οι φυτικοί οργανισμοί μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης σε χημική και έτσι μπορούν να την χρησιμοποιήσουν. Με τη ίδια διαδικασία φτιάχνουν και τα απαραίτητα υλικά Οι ζωικοί οργανισμοί εξασφαλίζουν την ενέργεια και τα υλικά που χρειάζονται από το περιβάλλον με την τροφή τους. Τις περισσότερες όμως φορές δε μπορούν να τα αξιοποιήσουν άμεσα. για το λόγο αυτό μετατρέπονται σε άλλες ενώσεις οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν με δύο τρόπους: 1. Να οξειδωθούν και να παράγουν ενέργεια. (ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ) Να χρησιμοποιηθούν ως πρώτη ύλη για την σύνθεση δομικών ή λειτουργικών μορίων που είναι απαραίτητα για τον οργανισμό 2. Να χρησιμοποιηθούν ως πρώτη ύλη για την σύνθεση δομικών ή λειτουργικών μορίων που είναι απαραίτητα για τον οργανισμό. (ΑΝΑΒΟΛΙΣΜΟΣ) Μεταφορά ενέργειας στα κύτταρα Η μεταφορά ενέργειας από την περιοχή του κυττάρου όπου παράγεται από τις εξώθερμες αντιδράσεις σε εκείνη όπου καταναλώνεται από τις ενδόθερμες αντιδράσεις γίνεται με τη σύζευξη εξώθερμων και ενδόθερμων αντιδράσεων. Ένα μέρος από την παραγόμενη ενέργεια αποδίδεται στο περιβάλλον σα θερμότητα και το υπόλοιπο
χρησιμοποιείται για την πραγματοποίηση των ενδόθερμων αντιδράσεων. Η μεταφορά από τις εξώθερμες στις ενδόθερμες γίνεται με το μόριο της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP). Το ATP είναι ένα νουκλεοτίδιο το οποίο περιέχει τρία μόρια φωσφορικού οξέος. Οι δεσμοί μεταξύ του πρώτου και δεύτερου και μεταξύ δεύτερου και τρίτου μορίου φωσφορικού οξέος για να δημιουργηθούν απαιτούν να προσφερθεί μεγάλο ποσό ενέργειας και όταν διασπαστούν αποδίδουν την ενέργεια αυτή. Ειδικότερα κατά την πραγματοποίηση μιας εξώθερμης αντίδρασης η ενέργεια που παράγεται χρησιμοποιείται για να ενωθεί μια φωσφορική ομάδα στη δισφωσφορική αδενοσίνη και αυτή να μετατραπεί σε τριφωσφορική αδενοσίνη. Η ενέργεια βρίσκεται αποθηκευμένη στο δεσμό αυτό. Στη συνέχεια το ΑΤΡ μεταφέρεται στο μέρος του κυττάρου όπου πραγματοποιείται μια ενδόθερμη αντίδραση ο δεσμός σπάει και η ενέργεια που αποδίδεται χρησιμοποιείται από την ενδόθερμη αντίδραση. Μέρος κυττάρου που γίνεται εξώθερμη αντίδραση ΑDT + P + E ATP Μέρος κυττάρου που γίνεται ενδόθερμη αντίδραση ATP ΑDT + P + E 3.2 ΕΝΖΥΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ Μηχανισμός δράσης των ενζύμων Ενέργεια ενεργοποίησης είναι η ενέργεια η οποία πρέπει να προσφερθεί στα αντιδρώντα μόρια για να ξεκινήσει η αντίδραση. Στο περιβάλλον η ενέργεια ενεργοποίησης μπορεί να εξασφαλιστεί με προσφορά θερμότητας. Αν τις αντιδράσεις του μεταβολισμού τις κάνουμε στο
εργαστήριο έξω από το κύτταρο παρατηρούμε ότι απαιτούν μεγάλα ποσά θερμότητας τα οποία θα κατέστρεφαν το κύτταρο. Επίσης ο χρόνος πραγματοποίησης τους είναι πολύ μεγάλος και το κύτταρο Δε μπορεί να περιμένει γιατί οι ανάγκες ενός κυττάρου είναι άμεσες. Τα κύτταρα για να αντιμετωπίσουν τα προβλήματα αυτά διαθέτουν μηχανισμό μείωσης της ενέργειας ενεργοποίησης που δεν είναι άλλος από τα ένζυμα. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες και δρουν ως καταλύτες αντιδράσεων οι οποίες πραγματοποιούνται στο εσωτερικό του κυττάρου. Χωρίς αυτά πολλές αντιδράσεις δε θα ήταν δυνατό να πραγματοποιηθούν. Η ταχύτητα μιας αντίδρασης μπορεί να αυξηθεί μέχρι 100 εκατομμύρια φορές. Αυτό επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο προσανατολισμό των αντιδρώντων μορίων τα οποία λέγονται και μόρια υποστρώματα. Κάθε ένζυμο έχει μια ειδική περιοχή το ενεργό κέντρο στο οποίο ενώνεται το υπόστρωμα. Ενεργό κέντρο και υπόστρωμα ταιριάζουν δομικά. Μερικές φορές αυτό γίνεται μετά την πρόσδεση του υποστρώματος στο ενεργό κέντρο.όταν το υπόστρωμα συνδεθεί με το ενεργό κέντρο οι δεσμοί μεταξύ των μορίων του εξασθενούν, σπάνε εύκολα και μπορούν να δημιουργηθούν νέοι οπότε να πάρουμε τα προϊόντα της αντίδρασης. Ένζυμα Ενδοκυτταρικά δρουν μέσα στο κύτταρο και είναι είτε ελεύθερα είτε δεσμευμένα σε πρωτεΐνες Εξωκυτταρικά εκκρίνονται από τα κύτταρα και δρουν στο εξωτερικό των κυττάρων όπως πχ στο στομάχι και άλλες κοιλότητες Παράγοντες που επηρεάζουν τη δράση των ενζύμων 1. Θερμοκρασία: η ταχύτητα μιας αντίδρασης η οποία καταλύεται από ένζυμα μεταβάλλεται ανάλογα με τη θερμοκρασία. Κάθε ένζυμο έχει μια άριστη θερμοκρασία δράσης στην οποία η ταχύτητα της αντίδρασης γίνεται μέγιστη. Στα ένζυμα του ανθρώπου η άριστη
θερμοκρασία είναι 36-38 βαθμοί. Με αύξηση της θερμοκρασίας μειώνεται η δραστικότητα του ενζύμου. Αν η θερμοκρασία φτάσει στους 50 βαθμούς τότε το ένζυμο χάνει μόνιμα τη δραστικότητά του γιατί χάνει την τριτοταγή του δομή 2. ρη: τα ένζυμα επηρεάζονται από τις μεταβολές του ρη. Για καθένα υπάρχει μία τιμή στην οποία παρουσιάζει τη μέγιστη δραστικότητά του, η οποία για την πλειοψηφία κυμαίνεται μεταξύ 5 και 9. Σε ακραίες τιμές τα ένζυμα μπορεί να καταστραφούν.υπάρχουν βέβαια εξαιρέσεις όπως η πεψίνη η οποία δρα στο στομάχι σε ρη=2 ή η θρυψίνη που δρα στο λεπτό έντερο σε ρη=8,5. 3. Συγκέντρωση υποστρώματος: Αύξηση συγκέντρωσης υποστρώματος οδηγεί σε αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης, μέχρι όμως ενός σημείου. Από εκεί και πέρα η ταχύτητα δεν αλλάζει γιατί όλα τα μόρια ενζύμων είναι ενωμένα με υπόστρωμα και συνεπώς τα επιπλέον μόρια υποστρώματος δε βρίσκουν ελεύθερα μόρια ενζύμων για να ενωθούν. 4. Συγκέντρωση ενζύμου: αν η θερμοκρασία, το ρη είναι σταθερά και η συγκέντρωση του υποστρώματος δεδομένη, αύξηση του ενζύμου οδηγεί σε αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης. Αναστολείς της δράσης των ενζύμων Αναστολείς είναι οι ουσίες οι οποίες αναστέλλουν τη δράση των ενζύμων 1. Αντιστρεπτοί, οι οποίοι εμποδίζουν παροδικά τη δράση των ενζύμων και όταν πάψουν να υπάρχουν το ένζυμο επανέρχεται στην κανονική του λειτουργία 2. Μη αντιστρεπτοί: συνδέονται μόνιμα με το ένζυμο και δεν το αφήνουν πια να δράσει 3.3 ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ
Η φωτοσύνθεση είναι σημαντική μεταβολική διαδικασία, κατά την οποία η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική. Η φωτοσύνθεση στα φυτά γίνεται στα πράσινα μέρη τους, που είναι τα φύλλα και ο βλαστός. Στην κάτω επιδερμίδα των φύλλων βρίσκονται τα στόματα, διαμέσου των οποίων εισέρχεται το ατμοσφαιρικό CO 2. Το Η 2 Ο εισέρχεται στις ρίζες και φτάνει στα φωτοσυνθετικά μέρη του φυτού μέσω των αγγείων. Η δέσμευση της φωτεινής ενέργειας γίνεται από χρωστικές που βρίσκονται στα θυλακοειδή των χλωροπλαστών. Η φωτοσύνθεση περιλαμβάνει δύο φάσεις, τη φωτεινή και τη σκοτεινή. Στη φωτεινή φάση, που γίνεται στα θυλακοειδή των χλωροπλαστών, φωτολύεται το Η 2 Ο και τα τελικά προϊόντα είναι ΝΑDΡΗ, ΑΤΡ και οξυγόνο. Στη σκοτεινή φάση, που γίνεται στο στρώμα του χλωροπλάστη, δεσμεύεται το ατμοσφαιρικό CO 2 και παράγονται τα σάκχαρα. Διάφοροι παράγοντες, όπως η ποσότητα της χλωροφύλλης, η θερμοκρασία, το φως, το CO 2, το Η 2 Ο και η συγκέντρωση ανόργανων αλάτων, επηρεάζουν την απόδοση της φωτοσύνθεσης. Φωτοσύνθεση γίνεται και σε ορισμένα είδη βακτηρίων και στα κυανοφύκη. Φωτοσύνθεση = Μεταβολική διαδικασία, που καταλήγει στη σύνθεση υδατανθράκων από ανόργανες ενώσεις (νερό και διοξείδιο του άνθρακα) με τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτότροφος οργανισμός = Οργανισμός, που μετατρέπει ανόργανες ενώσεις σε οργανικές, χρησιμοποιώντας ως πηγή ενέργειας το φως (φωτοαυτότροφος) ή τη χημική ενέργεια (χημειοαυτότροφος).
Παραγωγός = Φωτοσυνθετικός οργανισμός, που παράγει οργανικές ενώσεις χρησιμοποιώντας ανόργανες και την ηλιακή ακτινοβολία. Ετερότροφος οργανισμός = Οργανισμός (ζωικός ή μύκητας), που εξασφαλίζει την τροφή του καταναλώνοντας άλλους οργανισμούς ή οργανικά υλικά τους. Καταναλωτής = Οργανισμός, που δε φωτοσυνθέτεi. Καταναλωτής πρώτης τάξης = Φυτοφάγος ζωικός οργανισμός, που τρέφεται αποκλειστικά με φυτά. Καταναλωτής δεύτερης τάξης = Σαρκοφάγος οργανισμός, που τρέφεται με φυτοφάγους οργανισμούς (καταναλωτές 1ης τάξης). Κυανοφύκος = Προκαρυωτικός οργανισμός, που κάνει τον ίδιο τύπο φωτοσύνθεσης με τα φυτά. Τροφική αλυσίδα = Αλληλουχία οργανισμών, που συνδέονται μεταξύ τους με τροφικές εξαρτήσεις. Αποικοδομητής = Ετερότροφος οργανισμός, που παίρνει ενέργεια από τη διάσπαση οργανικών ουσιών σε ανόργανες. Επιδερμίδα (φύλλων) = Εξωτερικός σχηματισμός από κύτταρα, που περιβάλλει το μεσόφυλλο και αφήνει ανοίγματα, τα στόματα. 3.4. ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΑΝΑΠΝΟΗ Για την παραγωγή ενέργειας οι οργανισμοί διασπούν αρχικά τα βιολογικά μακρομόρια στις απλούστερες ουσίες από τις οποίες αποτελούνται. Στη συνέχεια οι απλούστερες ουσίες οξειδώνονται αποδίδοντας ενέργεια με τη μορφή ΑΤΡ. Στην περίπτωση των υδατανθράκων ο καταβολισμός τους περιλαμβάνει τη γλυκόλυση, τον κύκλο του κιτρικού οξέος και την οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Κατά τη γλυκόλυση, που γίνεται στο κυτταρόπλασμα, ένα μόριο γλυκόζης διασπάται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος, με ενεργειακό κέρδος 2 ΑΤΡ. Το επόμενο στάδιο, ο κύκλος του κιτρικού οξέος, γίνεται στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου με παραγωγή ΑΤΡ και CO 2. Το τελευταίο στάδιο, δηλαδή η οξειδωτική φωσφορυλίωση, γίνεται στις αναδιπλώσεις της εσωτερικής μεμβράνης του μιτοχονδρίου. Σ αυτό το στάδιο, παράγονται 32 ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης και Η 2 Ο. Ο συνολικός δηλαδή αριθμός παραγόμενων ΑΤΡ από τη διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης είναι 36. Στους αναερόβιους μικροοργανισμούς, που διαθέτουν τα κατάλληλα ένζυμα και σε ορισμένα ευκαρυωτικά κύτταρα σε αναερόβιες συνθήκες, το πυροσταφυλικό οξύ μπορεί να μετατραπεί είτε σε αιθυλική αλκοόλη (αλκοολική ζύμωση) είτε σε γαλακτικό οξύ (γαλακτική ζύμωση). Η τελευταία γίνεται και στα μυϊκά κύτταρα κατά την έντονη μυϊκή συστολή. Κυτταρική αναπνοή = Διαδικασία σταδιακής οξείδωσης μεγαλομοριακών ενώσεων με την οποία αποδίδεται χημική ενέργεια. Αερόβια αναπνοή = Καταβολική διαδικασία, που χρειάζεται οξυγόνο και οξειδώνει, π.χ., τη γλυκόζη σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό, απελευθερώνοντας ΑΤΡ. Αναερόβια αναπνοή = Καταβολική διαδικασία, που γίνεται χωρίς οξυγόνο. Οξείδωση = Η αφαίρεση ηλεκτρονίων από ένα άτομο ή από ένα μόριο. Αναγωγή = Η πρόσληψη ηλεκτρονίων από ένα άτομο ή η σύνδεσή του με υδρογόνο.
Οξειδοαναγωγή = Συνδυασμός αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής. Γλυκόλυση = Μεταβολική οδός, κατά την οποία η γλυκόζη διασπάται σε δυο μόρια πυροσταφυλικού οξέος αποδίδοντας ΑΤΡ. Πυροσταφυλικό οξύ = Ένα από τα προϊόντα της γλυκόλυσης Οξειδωτική φωσφορυλίωση = Στάδιο της κυτταρικής αναπνοής, που περιλαμβάνει οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις συζευγμένες με το σχηματισμό ΑΤΡ. Ζύμες = Μονοκύτταροι μικροοργανισμοί, που ανήκουν στην κατηγορία των μυκήτων και φέρουν σε πέρας την αλκοολική ζύμωση. Ζύμωση = Μεταβολική πορεία, κατά την οποία παράγεται ΑΤΡ από την οξείδωση οργανικών ενώσεων χωρίς την παρουσία οξυγόνου.